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【Gene思書齋】我在MIT燃燒物理魂-教學的典範!

Gene Ng_96
・2012/06/11 ・654字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 515 ・六年級

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我在MIT燃燒物理魂

For the Love of Physics

我一定是受了什麼刺激,在一個月內看完兩本有關基礎物理學的科普書,雖然我並不太喜歡物理課。不過看過了這本《給未來總統的物理課:從恐怖主義、能源危機、核能安全、太空競賽到全球暖化背後的科學真相》(Physics for Future Presidents: The Science Behind the Headlines)(請參見〈給未來總統的物理課-必須面對的科學真相〉),然後再加上這本《我在MIT燃燒物理魂》(For the Love of Physics : From the End of the Rainbow to the Edge of Time—A Journey Through the Wonders of Physics)。

《我在MIT燃燒物理魂》的作者華爾達‧盧文(Walter Lewin)在網路上很有名,當初美國麻省理工學院(MIT)在做開放式課程網頁(MIT’s OpenCourseWare)的計畫時,在新聞上就有聽說有位會在課堂上騎單車和盪秋千的老教授超有人氣等等的。後來在書店看到這本《我在MIT燃燒物理魂》時,馬上就想到一定就是那位老教授寫的,也一定很值得一讀。

華爾達‧盧文(Walter Lewin)是研究X射線天文物理學的權威之一,他在MIT任教逾卅年,發表科學論文超過450篇。但花去他最多心力的,卻是開設在大學部的三門基礎物理課。華爾達‧盧文一直嘗試將物理活生生地呈現在學生面前,以幫他們用不同的角度看這世界。他寫《我在MIT燃燒物理魂》的用意,是要開啟雙眼,讓我們看到物理是以多麼特別的方式支配著這世界,也讓我們見識到物理本身令人讚嘆的優雅與美麗!這本書的英文書名,就叫做For the Love of Physics

 

閱讀全文:

我在MIT燃燒物理魂-教學的典範!

文章難易度
Gene Ng_96
295 篇文章 ・ 23 位粉絲
來自馬來西亞,畢業於台灣國立清華大學生命科學系學士暨碩士班,以及美國加州大學戴維斯分校(University of California at Davis)遺傳學博士班,從事果蠅演化遺傳學研究。曾於台灣中央研究院生物多樣性研究中心擔任博士後研究員,現任教於國立清華大學分子與細胞生物學研究所,從事鳥類的演化遺傳學、基因體學及演化發育生物學研究。過去曾長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯,現任台大科教中心CASE特約寫手Readmoo部落格【GENE思書軒】關鍵評論網專欄作家;個人部落格:The Sky of Gene;臉書粉絲頁:GENE思書齋

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大科學人專訪 | 江振誠:當問題的答案是向內挖,孩子才真正啟動思考
LIS_96
・2022/12/07 ・1882字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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他是江振誠 Chef Andre,「全台最難訂位餐廳」 RAW 的創辦人,也是史上唯一橫跨米其林、世界50大及全球百大名廚榜的華人名廚。

在旅居國外多年後,2014 年他回到故鄉,以餐廳作為媒介,讓世界看見台灣。這些年 Chef Andre 也投身教育,回台傳承所學,培育更多世界級華人廚師是他在料理之外的職志。關於主廚的成長故事與教育觀點,邀請你一起往下閱讀>>>

學習的動機是有著想要到達的遠方

「十三歲的我,認為全世界最頂尖的料理是中餐、日本料理、法鍋料理」,亦為料理家的母親會做中餐,在日本也有著自己的餐廳,因此「法國料理」成為 Chef Andre 心中最遙不可及、最難觸碰到的殿堂。

因為有著「想要到達的遠方」, 主廚在「到達的過程」中默默撿起了許多能力,比方精通法語、英語…等多國語言,這些學習的初衷都很單純,可能是為了看懂各國食譜、撰寫一份投遞法國高檔餐廳的工作履歷、順暢地和廚房同事溝通,而這些不同面向的學習都是幫助主廚完成心之所向的工具。

一位從來沒有遇過挫折的主廚

問起 Chef Andre 的成長和主廚養成過程是否遇過挫折,主廚想了一下,堅定的回答:「沒有」。

他進一步說明,沒有的原因是想要確認「我們對挫折的定義是什麼?」

Chef Andre 分享在他的團隊裡面有個不成文的文化,「我們從不說 problem,problem 這個詞彙意味著這件事沒辦法解解決,我們會說:Chef we have a challenge,以挑戰來看待每一個迎來的困難和不如意。

語言的使用巧妙的反應著 Chef Andre 的人生觀,藉由有意識的揀選語言,潛移默化團隊看待挫折的心態。「當我們有個一定要到達的方向,有著要把事情解決的共識,這些困難都只是過程中的一部分,而挑戰帶我們觸碰從未有過的高度,也代表著我們正在升級!」主廚分享。

從廚房走進學校,養成台灣需要的料理人

旅居國外 20 多年的 Chef Andre ,回台後看見家鄉對「新世代料理人」養成的缺乏,開始從廚房走進校園。主廚提到開始教學的這七年來,他從未在課堂上拿過一鍋一鏟,「我想要教的是新一代料理人需要具備的能力,我教的是顏色、是創意、是計算、是邏輯」,現在的料理產業已異於過往,在越來越多微型創業興起的年代,餐飲教育有沒有讓著些年輕人具備面對現實環境中帶得走且用得上的能力?是 Chef Andre 想帶進台灣餐飲教育的反思,也想藉此提醒所有的教育系統「我們的教育是否貼近環境」,「以終為始」的看待學生缺乏和需要的是什麼。

新一代料理人需要具備的能力,需要的顏色、創意、計算、邏輯。圖/envato.elements

我們希望孩子學會思考,卻未留有讓他們有思考的空間

這些年 Chef Andre 成為食育傳道者,他回憶曾在一場演講遇上滿場來自全台餐飲教育的老師,老師們好奇地問「該如何做到改變餐飲教育的第一步」。

我的建議會是:「讓學生學會『定義』這件事!我們不是教學生做出最好吃料理的完美答案,而是讓他們自由定義什麼才是好吃。」主廚以更具體的方式解釋:當我們教小朋友做肉丸,不是去找業界得過最多獎的肉丸達人,告訴大家最好吃的肉丸應該怎麼做,而是讓每一個人去自由定義「我的好吃該是什麼樣子」,是蒸的、炸的,是加香菜、還是加蒜頭。

「這個答案應該是向內挖,而不是硬塞的」,當學生開始用不一樣的角度去問問題,思考就會隨之啟動。我們常常希望孩子們具備獨立思考的能力,但在教育中往往忘了保留任由孩子自由定義答案的空間。

讓孩子培養自由思考的料理能力。圖/圖/envato.elements

響應本次「LIS第二季大科學計劃」, Chef Andre 分享給我們的大科學人宣言:

❛❛ 科學的精神在於「沒有不可能」,當想法尚未被推翻前,所有都是可能的  ❜❜  ── Chef Andre Chiang

這句話同時體現了 Chef Andre 的處事哲學,當我們有著想要前進的方向,所有遇上的難題都只會是 Challenge 而非 Problem !

邀請您一同成為各行各業中的大科學人,您的捐款將支持「科學公益教材」的穩定開發,一起支持台灣科學教育,讓孩子從小開始像「科學家一樣思考」,帶著自信長大成為各行各業中「永保好奇」、「邏輯思辨」的大科學人!

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❛ 教育不只是老師的事,這是我們的任務,下一個世代的科學史,現在就得開始寫起! ❜

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LIS_96
18 篇文章 ・ 5 位粉絲
LIS ( Learning in Science )情境科學教材,成立於2013年7月,是一個非營利組織,致力於為國中小自然教師及學生,設計有別於填鴨教育的科學教材,協助教師進行STEAM和科學素養導向的教學,讓教師更簡單地進行教學創新,幫助更多孩子找回對科學的學習動機,並培養解決問題的能力。 在 Youtube 頻道【LIS情境科學教材】上,我們會即時更新所有LIS教材的影片,而完整的教案、學習單,亦同步上傳於【LIS教材平台網】歡迎您前往瀏覽完整內容。

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薛丁格的貓是死是活?再不懂點量子就落伍了!——《我們的生活比你想的還物理》
商周出版_96
・2022/12/06 ・2327字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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奧地利的物理學家薛丁格最初閱讀愛因斯坦和德布羅意的論文後,也注意到物質波的概念,並進而闡釋發展成波動力學,促成量子力學誕生。薛丁格的波動力學是後來量子力學的具體論述之一, 薛丁格波動方程式更是量子力學最重要的方程式之一,也是現代人研究發展量子電腦的重要思維。

繼續討論薛丁格的想法前,容我「插播」兩種說法,一種是「哥本哈根詮釋」,一種是「愛因斯坦悖論」。

萬物受機率支配?愛因斯坦可不這麼認為

前面提到電子的雙狹縫干涉實驗,說明在微觀世界的電子具有波動性。在電子的雙狹縫干涉實驗中,為何被觀測到的電子只有在屏幕的一點留下痕跡呢?照理說,在屏幕的任意地方都能發現電子的蹤跡。然而,當我們「觀測」到屏幕的一「質點」的電子的瞬間,電子的波函數立即「塌縮」。

物理學家解釋這是因為電子的波函數與發現機率有關,亦即觀測電子時,電子波會縮小分布範圍, 呈現電子的粒子形式。活躍於哥本哈根的波耳等人認同這種融合「波函數塌縮」和「機率詮釋」的想法,因此成為「哥本哈根詮釋」。至於「電子波為何會塌縮?」是一個未解之謎。

自然界真的受到機率的支配嗎?真的大哉問啊!

愛因斯坦儘管預言光子存在,提出光量子論,但他強烈反駁「機率論」的觀點。對於哥本哈根學派的「機率詮釋」和「波的塌縮」,愛因斯坦以「上帝不玩擲骰子的遊戲」批判哥本哈根詮釋, 完全不能接受哥本哈根學派主張「決定一切事物的上帝竟然會依照擲出骰子出現的點數決定電子的位置」。

「上帝不玩擲骰子的遊戲」批判哥本哈根詮釋。圖/GIPHY

愛因斯坦也指摘「幽靈般的超距作用」。他認為未來已經確定,反駁「自然界曖昧不明」的不確定性,進一步指出「自然界並非曖昧不明,而是量子論還不完備,無法正確闡述自然界的緣故」。以上所提,是量子力學發展歷程的觀點論戰的故事,包含 1935 年,愛因斯坦和共同研究者波多斯基(Boris Podolsky)、羅森(Nathan Rosen)聯合發表觸及量子論矛盾的「EPR 悖論」(Einstein-Podolsky-Rosen paradox)。

迄今,我們已經知道微觀世界,電子等粒子會自己旋轉,具有「自旋」的物理量,或直接用專業術語「自旋角動量」,自旋的方向依據量子論會以多個狀態同時存在,並存或疊合。

愛因斯坦等人認為,對於相距非常遙遠的電子,不可能無時間限制,瞬時互相影響;根據狹義相對論的說法,沒有任何物體的飛行速度比光速還快。觀測相距遙遠的兩粒子之一,竟然會在瞬間同時決定兩者的狀態,這樣特殊奇妙的現象,愛因斯坦稱之為「幽靈鬼魅般的超距作用」。

沒錯!又要提那隻貓了

薛丁格曾以「量子糾纏」解釋愛因斯坦論文中的悖論現象,指出互相遠離的粒子的性質,並非各自獨立,而是成組決定,無法個別決定,這個現象是 2022 年諾貝爾物理學獎得獎主題的「量子糾纏」。如果能這樣思考,那麼就不會認為粒子是瞬間傳送並影響到遠方粒子,有如「幽靈般的超距作用」。

貓同時是活和死的「疊加」。圖/維基百科

談到量子力學,「薛丁格的貓」此知名想像實驗必定會浮現在讀者的腦海中吧?此實驗探討一隻貓的狀態究竟是活或死的,而實驗結果是:貓同時是活和死的「疊加」。如果以古典物理學來思考,會顯得極其荒謬;但若以微觀世界視之,這項理論其實符合電子波粒二象性的機率概念。

根據 1927 年量子力學學派的詮釋,觀察一個量子物體時,會干擾其狀態,造成其立即從量子本質轉變成傳統物理現實。原子及次原子粒子的性質,在量測之前並非固定不變,而是許多互斥性質的「疊加」。此觀念的知名例子就是「薛丁格的貓」實驗。

在這個想像的實驗中,一隻貓被鎖在一個箱子中,並有一個毒氣瓶,在量子粒子處於某狀態下毒氣瓶會破裂,但若該粒子處於另一狀態,則毒氣瓶會完好無損。如果將箱子封閉,此粒子的量子狀態是兩種狀態「共存」的情況,也就是說,毒氣既是已從瓶中放出,又被封存在瓶中,也因此,箱中的貓同時既是活的也是死的。當箱子打開時,由於此量子疊加狀態瓦解了,因此在那瞬間,這隻貓或許被毒死,或許得以保命。

當箱子打開的瞬間,這隻貓或許被毒死,或許得以保命。圖/《我們的生活比你想的還物理

物理小教室

  • 索爾維會議

量子力學是近代物理學的重要基石,與相對論被認為是近代物理學的兩大基本支柱,許多物理學理論和科學,如原子物理學、固態物理學、核物理學和粒子物理學,都以其為基礎。物理學界往往會在物理重要會議激盪出重要的論述,例如 1927 年第 5 次索爾維會議,此次會議主題為「電子和光子」,當時世上最重要的物理學家,都聚集在一起討論新的量子理論。

1927 年第 5 次索爾維會議,此次會議主題為「電子和光子」。

——本文摘自《我們的生活比你想的還物理》,2022 年 11 月,商周出版,未經同意請勿轉載。

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一卡在手便利無窮,悠遊卡的設計原理——《我們的生活比你想的還物理》
商周出版_96
・2022/12/05 ・2482字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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時事話題

NEWS|在課堂介紹電磁波概念時,有位同學佳琦舉手提問筆者:「老師,用悠遊卡刷進捷運站非常方便,那個背後的原理和電磁波有關嗎?」另一位同學婕妤回答:「應該是悠遊卡會發出電磁波,傳遞訊息到門閘的感應器吧?」

悠遊卡如今早已融入臺灣大都會的生活中,不論是捷運、超商、購物或搭乘公車,悠遊卡在手,便利許多。然而,悠遊卡內並無電池,也不需要插入讀卡機,為何能夠溝通而傳遞資訊呢?

刷悠遊卡進出捷運站,其背後原理和電磁波有關嗎?圖/Pixabay

為何沒裝電池的悠遊卡可以產生電流?

悠遊卡系統主要是應用法拉第電磁感應定律來辨識與傳遞資訊,此與無接觸感應技術有關,該技術稱為「無線射頻辨識系統」(radio frequency identification,RFID)。完整的一套無線射頻辨識系統,是由讀卡機(reader)、電子標籤(tag)和應用程式資料庫電腦系統部分所組成。

運作過程先由讀卡機發射一特定頻率的無線電波能量給電子標籤,藉此驅動標籤內建電路,輸送內部的身分代碼,以開啟溝通之路。

若以法拉第電磁感應的物理概念解釋,讀卡機產生變動磁場, 同步提供電子標籤變動磁場,驅動電子標籤產生感應電流,也就是讓悠遊卡內部迴路產生感應電流,並讓電子標籤發送身分代碼訊息給讀卡機,也即驅動內部晶片能夠發送訊號,讀卡機依序接收資訊、解讀此身分代碼,再透過應用程式資料庫系統讀取悠遊卡內的晶片資料,完整達成溝通與解讀任務。

電子標籤發送身分代碼訊息給讀卡機,即驅動內部晶片發送訊號。圖/維基百科

每一張悠遊卡都有獨立的電子標籤,當卡片靠近悠遊卡標誌的磁場感應範圍內,即可透過電磁感應的原理,驅使電子標籤內的線圈產生感應電流,此電流供應電子標籤傳送資訊至讀卡機,以解讀晶片資料。

或許讀者會好奇,沒有電池的悠遊卡怎麼產生電流呢?這個問題也需要以法拉第電磁感應定律說明。

依法拉第電磁感應定律,悠遊卡的線圈迴路會因為磁場強弱的變化,以及通過的面積區域角度變化而產生類似電池驅動電流功能的「感應電動勢」,或稱為感應電壓。此感應電壓大小與線圈匝數及每匝線圈中磁場隨時間的變化率有關。匝數愈多,磁場變化率愈大,悠遊卡迴路中的感應電壓愈大,產生的感應電流就愈大。

當卡片靠近標誌的磁場感應範圍內,即透過電磁感應產生感應電流。圖/《我們的生活比你想的還物理

因此,悠遊卡雖然沒有內建電池,但可以透過電磁波的應用,採用無線射頻辨識系統,在運作時,讀卡機持續發出電磁波,當卡片接近時,其內部線圈產生感應電動勢,再進一步驅動感應電流。此感應電流讓卡片內的晶片發出電磁波,回傳必要的資訊給讀卡機,完成感應過閘的流程。

以臺北、臺中和高雄的悠遊卡來說,採用的是無線射頻辨識系統模式,屬於比較低頻率的電磁波,卡片必須距離讀卡機約 14 公分內,才能讀取卡片的晶片資料。因此若將悠遊卡裝在比較厚的皮夾或兩張磁卡疊在一起,可能無法第一時間完成讀卡,而形成「卡片無法讀取」的「卡卡」現象,建議單純使用悠遊卡過閘,較能順暢通過閘門。

其他如進出家門的感應磁扣、停車場的票卡、信用卡感應支付、國道收費系統 ETC 等,皆是應用無線射頻辨識系統 RFID 的技術,只不過國道收費系統 ETC 的感應器的感應距離約需 60 公尺內,才能順利讀取通過車輛的相關資訊。

台灣高速公路的電子道路收費系統(electronic toll collection, ETC)。圖/維基百科

物理小教室

  • 手機行動支付的物理學原理

手機支付的運作原理也是基於 RFID 發展而出的近場通訊(near-field communication,NFC) 技術。目前近場通訊技術採用頻率為 13.56 MHz 的電磁波,以 106 kbit/s、212 kbit/s 或 424 kbit/s 這 3 種速率傳輸資料,bit 翻譯為位元,是電腦資料的最小單位。

利用手機支付時,須靠近刷卡機約 4 公分距離內,此時可藉由電磁波傳遞相關資訊,完成付款手續。近場通訊技術不只有用在手機支付, 也可運用傳輸文字、照片、音樂檔案,是目前手機常見的內建功能。

  • 電磁感應的進階說明

電動勢(electromotive force, emf)可以驅動導體內的電荷移動, 產生電流。電池因為內部材料的屬性,會在正負極產生固定的電位差或電壓。電動勢是電池正負極間的電位差,也常稱為電壓,其國際單位制(SI)單位為伏特(V)。

導體內的電流與電壓成正比,假設導線的電阻及電池的內電阻都可略去不計,電路中流動的電流是電壓與電阻相除後的數值。可知電池的電動勢,可以驅動迴路上的電流,讓燈泡發光發熱。

然而,一個未接電源的迴路導線圈,可不可能產生電流?可以。若是通過迴路導線圈的磁場變化或磁通量改變,也會產生感應電流,這是發電機的原理,也是物理學家法拉第和冷次的電磁感應概念。

電磁爐和捷運列車的磁煞車也是運用電磁感應的概念。電磁爐內部的主要構造是由絕緣體包覆的導線環繞的線圈,當交流電通過線圈時, 電磁爐表面就會產生隨時間改變的磁場,這個磁場的變化會同時在鍋子底面產生應電流,再透過電流熱效應加熱鍋子,也加熱食物。

——本文摘自《我們的生活比你想的還物理》,2022 年 11 月,商周出版,未經同意請勿轉載。